新型电磁超材料及其在低散射天线中的应用

　　电磁超材料具有奇特的电磁波调控特性，可实现对电磁波的相位、幅度、极化、传播路径、传播方向及频谱等的调控，已广泛应用于各种电磁设备。本书共12章，重点阐述电磁超材料的分析理论及其在低散射天线中的应用：第1章介绍了电磁超材料的基本概念及其相关应用的发展现状；第2章分析了电磁超材料在吸波器、极化转换器等器件中的相关理论，以及天线的基本理论及其散射理论基础；第3～5章讲述了二维、三维电磁超材料吸波器的设计方法及散射特性分析，并将其应用到低散射天线设计当中；第6章阐述了可重构水基热可调谐频率选择吸波体的设计方法和理论分析；第7～9章讲述了反射型柔性线极化转换器材料的设计、非对称传输和能量隔离混合超结构设计及三比特编码极化旋转单元的低散射天线；第10～12章讲述了电磁超材料在低散射Fabry-Perot谐振腔天线中的应用。 本书可供从事电磁超材料器件设计、低散射天线等领域研究和开发工作的科技人员阅读参考，也可以作为高等院校相关专业的高年级本科生、研究生和教师的参考书。

　　孔祥鲲，博士，副教授，硕导；美国电气电子工程师学会 （IEEE）会员，英国圣安德鲁斯大学公派访问学者。主要从事人工电磁材料、雷达目标特性、雷达隐身技术、低散射天线、材料电磁性能测量等方面的研究。2016年获江苏省高校科技研究优秀成果三等奖。

第1章 电磁超材料概述 1
1.1 电磁超材料 1
1.1.1 电磁超材料的定义 1
1.1.2 电磁超材料发展和应用概述 2
1.2 电磁超材料吸波器发展概况 3
1.2.1 传统电磁吸波材料概述 4
1.2.2 电磁超材料吸波器研究概述 4
1.2.3 水基电磁超材料吸波器研究概述 11
1.3 极化旋转超表面研究概述 13
1.4 低散射天线技术概述 16
1.4.1 隐身技术的核心技术点 16
1.4.2 低散射Fabry-Perot谐振腔天线技术概述 18
第2章 电磁超材料器件理论基础 22
2.1 电磁超材料吸波器理论基础及其发展 22
2.1.1 雷达散射截面定义 22
2.1.2 电磁超材料吸波基本理论及分析方法 24
2.2 极化旋转与相位梯度超表面理论基础 33
2.2.1 电磁波极化的一般概念 33
2.2.2 极化转换的基本原理 34
2.2.3 等效电路法分析 35
2.2.4 极化旋转与相位梯度超表面低散射机理 38
2.3 天线理论基础及其散射分析 40
2.3.1 天线的辐射场 40
2.3.2 天线的特性参数 42
2.3.3 天线散射分析基本理论 43


第3章 二维多频电磁超材料吸波器 47
3.1 超材料结构设计和全波仿真 47
3.2 二维超材料吸波器加工和测试 50
3.2.1 测试方法 50
3.2.2 测试结果及分析 50
3.3 二维超材料吸波器吸收机理分析 51
3.3.1 表面电流和场分析 51
3.3.2 表面阻抗和损耗分析 53
3.4 二维超材料吸波器散射特性分析 55
3.4.1 超材料吸波器单站RCS特性分析 55
3.4.2 超材料吸波器双站RCS特性分析 55
第4章 三维多频电磁超材料吸波器 57
4.1 三维超材料频选结构和等效电路模型分析 57
4.1.1 超材料结构单元设计和全波仿真 57
4.1.2 等效电路模型分析 59
4.1.3 超材料单元级联和等效电路模型分析 61
4.2 三维宽频带电磁超材料吸波器 62
4.2.1 超材料结构单元设计和全波仿真 62
4.2.2 等效电路模型分析 64
4.2.3 吸波器样品测试和结果分析 66
4.2.4 吸波器散射特性分析 66
4.3 三维超宽频带电磁超材料吸波器 67
4.3.1 高阻表面单元设计与吸收机理分析 68
4.3.2 三维超宽频带电磁超材料吸波器单元设计与全波仿真 73
4.3.3 等效电路模型分析和参数讨论 74
4.3.4 电阻膜厚度不为零时吸波器结构优化设计 76
4.3.5 吸波器散射特性分析 77
第5章 三维频率选择特性的电磁超材料吸波器 79
5.1 三维高通型宽频带电磁超材料吸波器 79
5.1.1 超材料结构单元设计和全波仿真 79
5.1.2 等效电路模型分析 81
5.1.3 等效电磁参数推导 82
5.1.4 结构参数讨论和机理分析 83
5.1.5 吸波器样品测试和结果分析 85
5.2 三维带通型电磁超材料吸波器 86
5.2.1 超材料结构单元设计和全波仿真 86
5.2.2 等效电路模型、表面电流和场分析 88
5.2.3 加载并联短路枝节电路的带通型吸波器透射特性分析 92
5.2.4 吸波器样品测试和结果分析 92
5.2.5 带通型电磁超材料吸波器散射特性分析 93
5.2.6 加载带通型吸波器的平板偶极子天线 95
第6章 可重构水基热可调谐频率选择吸波体 99
6.1 水的色散特性分析 99
6.2 水基频率选择吸波体结构设计 100
6.2.1 带通型FSS设计 100
6.2.2 可重构水基热可调频率选择吸波体 102
6.3 水基频率选择吸波体电磁特性分析 103
6.3.1 可重构性能 103
6.3.2 宽入射角性能 104
6.3.3 热可调谐性能 104
6.3.4 基于水的Mie谐振分析 106
6.4 样件加工与测试 108
第7章 反射型柔性线极化转换器 112
7.1 宽带可共形超表面极化转换器 112
7.1.1 宽带可共形超表面极化转换器的单元结构设计 112
7.1.2 仿真结果与参数优化分析 113
7.1.3 角度敏感性与谐振电流模式分析 116
7.1.4 极化转换器共形散射性能分析 120
7.2 宽带可共形超表面极化转换器加工与测试 122
第8章 非对称传输和能量隔离混合超结构设计 125
8.1 可重构混合超结构设计 125
8.1.1 混合超结构的工作机理和工作模式 125
8.1.2 混合超结构极化转换单元设计与分析 126
8.1.3 混合超结构单元结构中可切换FSR的设计 129
8.2 混合超结构设计 132
8.2.1 混合超结构设计与分析 132
8.2.2 混合超结构加工与测试 134
第9章 三比特编码极化旋转单元的低散射天线 138
9.1 三比特编码双功能超表面 138
9.1.1 极化转换相位梯度超表面单元结构设计 138
9.1.2 仿真结果与分析 139
9.2 低散射天线设计 145
9.2.1 加载双功能超表面的天线结构设计 145
9.2.2 辐射性能与散射性能比对 146
9.2.3 低散射天线加工与测试 148
第10章 超表面加载Fabry-Perot谐振腔天线 151
10.1 Fabry-Perot谐振腔天线相关理论 151
10.1.1 Fabry-Perot谐振腔工作原理 151
10.1.2 Fabry-Perot谐振腔天线工作原理 153
10.2 超表面加载宽带Fabry-Perot谐振腔天线 155
10.2.1 正斜率反射相频PRS设计方法 156
10.2.2 PRS单元设计与性能分析 158
10.2.3 馈源天线设计 160
10.2.4 宽带Fabry-Perot谐振腔天线特性分析 160
10.2.5 宽带Fabry-Perot谐振腔天线测试 163
第11章 极化转换超表面宽带低散射Fabry-Perot谐振腔天线 166
11.1 极化转换表面设计及分析 167
11.1.1 PCM单元结构设计 167
11.1.2 CPCM低散射特性分析 168
11.1.3 馈源天线设计 170
11.2 棋盘式极化转换超表面Fabry-Perot谐振腔天线 171
11.2.1 棋盘式极化转换超表面Fabry-Perot谐振腔天线设计 171
11.2.2 嵌入式棋盘式极化转换超表面Fabry-Perot谐振腔天线设计 173
11.2.3 嵌入式棋盘式极化转换超表面Fabry-Perot谐振腔天线的加工测试 176
第12章 混合部分反射表面低散射宽带Fabry-Perot谐振腔天线 179
12.1 混合反射面设计及低散射原理分析 180
12.1.1 FSS单元结构设计及特性分析 180
12.1.2 HPRS低散射特性分析 182
12.1.3 宽带辐射馈源天线设计 184
12.2 低RCS宽带Fabry-Perot谐振腔天线 184
12.2.1 低散射宽带Fabry-Perot谐振腔天线特性分析 184
12.2.2 低散射高增益Fabry-Perot天线加工与测试 188
参考文献 191